JP2005528157A - 回転血管造影法に基づく冠状動脈構造のハイブリッド３ｄ再構成 - Google Patents

Abstract

周期的運動により影響される脈管構造のハイブリッド３次元再構成を生成する方法及び装置であり、周期的運動により影響される脈管構造を有する撮像すべき物体(50)をＸ線システムの撮像領域内に位置させる。前記脈管構造の少なくとも２つのＸ線像を収集する(104,204)。周期的運動の位相のしるしを取得し(104,52)、該しるしを前記２つのＸ線像の各々と相関させる。周期的運動の同一位相から少なくとも２つのＸ線像を選択する(108)。前記脈管構造の関心のある部分の３次元モデル化セグメントを生成する(110,210)。このモデル化セグメントは周期的運動の同一位相からの前記選択されたＸ線像を用いて再構成され、前記関心のある部分は撮像脈管構造の一部分のみである。前記モデル化セグメントより大きい脈管構造の３次元ボリューメトリック再構成を生成する(112,212,207)。前記関心のあるモデル化セグメント(148)とこれより大きい脈管構造のボリューメトリック再構成を組み合わせて人間が読み取り可能な形態で表示する(220)。

Description

本発明は、Ｘ線冠状動脈血管造影法に関するものであり、特に複数のビューを収集する回転血管造影法を用いてハイブリッド再構成モデル化表現を発生させる装置に関するものである。本発明は、血管カテーテル法、診断及びインターベンション処置に使用する診断メディカルイメージングにおいて特に有用であり、特にこれについて記載する。

冠状動脈疾患はアメリカでは罹患率及び死亡率の主な原因のままである。死亡率を低減するために、実施されるカテーテル処置の数が著しく増加している。将来、実施されるカテーテル処置の数はステント技術（例えば溶出ステント）及びイメージング機能の最近の進歩により更に増加することが予想される。

冠状動脈カテーテル法は一般にＸ線血管造影法を用いて行われる。伝統的な２Ｄ投影像を用いてインターベンション処置中に正しいステント寸法を選択することは血管のフォアショートニング（縮小）及びオーバラップのためにしばしば困難になる。

臨床的に関心のある特定の冠状動脈ブランチの構造及び臨床医の技術に基づいて、種々の任意の観察角からのシングルプレーン又はバイプレーン血管造影画像を取得して、次のインターベンションに使用すべきステントの長さ及び直径を視覚的に推定し導出するための作業画像を臨床医に提供することが行われている。臨床医がステントの寸法を決定すると、作業画像は臨床医に対してＸ線システムをインターベンション処置中使用する位置に選択される。この作業ビューでは、関心のある血管セグメント（部分）が最小のショートニングを示すとともに、オーバラップ構造、例えば他の冠状動脈、移植組織などにより視界がブロックされないようにするのが望ましい。臨床医の経験に基づいて選択された作業ビューが所望のごとく有用でない場合には、他のビューが選択される。

患者は、臨床医が評価のためにビューを選択するごとに造影剤と放射の投与を受けるため、適切な観察角を選択するこの試行錯誤法は、患者の実際のインターベンション処置が開始する前でも患者に投与する造影剤及び放射が多量になる。現在使用されている造影剤は患者の腎臓にストレスを与え、患者への造影剤の投与量を制限するのが望ましい。腎機能が低下した患者又は腎臓謬の患者に対しては、造影剤の低減はもっと重要である。更に、造影剤は心臓を傷つけるので、永久的な損傷を防止するために制限される。同様に、処置中の患者のＸ線被爆を低減することが望ましい。

「試行錯誤」法に対する患者の評価及び処置を向上させるために、何人かの研究者が、種々の任意の観察角からの２〜３のスタティック２次元Ｘ線像を用いて冠状動脈の全動脈ツリーの３次元サーフェイスモデルを構成する種々の方法が提案されており、一般に相当の臨床経験、判断及び相互作用を必要とする。その結果として、臨床医は、スタティック２Ｄ観察像の収集後に、臨床医は２Ｄ観察像を用いて任意の角度からの３次元冠状動脈ツリー全体のモデルを生成し観察する技能を有する必要がある。画像内のモデルを操作することにより、臨床医は追加の放射又は造影剤の使用なしに「最適作業ビュー」を選択することができる。全３次元冠状動脈ツリーのモデル化は依然として時間を要し、冠状動脈ツリー再構成及びモデルの生成は周期的心運動により悪影響を受ける。更に、モデル構成のための数個の選択ビューは臨床医の技量に基づいて収集されるものに限定され、患者個人のユニーク構造を知る利点はない。冠状動脈ツリー構造の個人的変化は標準スタティックビューの一つのビューの値を減少することがあるため、更に別の像の収集及び造影剤の投与を必要とする。

ここ数年、回転血管造影法（ＲＡ）は脳血管以上の処置における極めて精密で有効な診断ツールであることが証明されている。このアプローチでは、Ｃアームが患者の頭の周りを高速に回転するとともに数個のＸ線投影像を収集する。１回の造影剤注入のみで、再構成された脳血管を種々の観察角から見ることができる。回転画像収集の高い再現性、高い回転速度及び脳血管の静止特性のために、投影像をボリューメトリック再構成に用いて極めて高いディテールと精度を与えることができる。更に、このプロセスは静止脳血管構造に対して自動化される。

冠状動脈画像収集に対する回転血管造影法の使用は、狭窄重症度の良好な推定をもたらすとともに、伝統的なスタティック画像収集の数枚の使用のみでは失われしまう病変部を明らかにすることが照明されている。しかし、冠状動脈の直接的ボリューメトリック再構成はいくつかの欠点を有する。第１に、心臓の拍動及び患者の呼吸運動のために、現在の技術は冠状動脈の粗い表示が生ずるのみである。適正なステントの選択又は他のインターベンション装置又は処置のための冠動脈の病変部の寸法に関する精密な情報を必要とする場合には、これらの粗い表示の場合よりもっと精密な冠状動脈ツリーの測定値が必要とされる。もっと精密な情報は患者に対する最適処置の選択において臨床医が使用する診断情報を改善する。代替再構成法を用いる最近の発達は極めて有望であるが、人間被検体の狭窄部の寸法決定に直接使用し得る精密再構成はまだ臨床用に十分使用可能又は信頼可能でない。適切なボリューメトリック再構成が実行できても、正しいステント寸法に到達するには追加のユーザインタラクションが必要とされる。

画像の収集を心周期の所定部分に対しゲートしてもっと望ましい画像を再構成のために供給することによって回転血管造影法を周期的心運動に対して補償することにより粗い再構成及び画像を改善するいくつかの努力がなされている。例えば、国際特許出願ＷＯ０２／３６０１１号、「Method and apparatus for 3D-rotational x-ray imaging」に、冠状動脈系の３Ｄ再構成用Ｘ線イメージング方法を用い、１０°／秒に限定された走査回転を１５秒以上、好ましくは２０秒の比較的長時間実行することが記載されている。ＥＣＧトリガを用いて画像を収集して、心周期の同一点で画像を得る。

ＵＳ特許第６３２４２５４号、「Method and x-ray device for picking up x-ray images of a substantially rhythmically moving vessel or organ」に、円軌道に沿って、６°／秒以下の角速度でゆっくり移動し、複数のディジタルＸ線像を撮像し、撮像したＸ線像を血管運動又は臓器運動、例えばＥＣＧ装置によりトリガするＸ線装置が記載されている。この装置は２５秒から３３秒の走査時間を示す１５０°から２００°に亘って回転する。この特許は７５秒から４００秒の総走査時間を示す２°から０．５°のもっと低い回転速度を用いることも記載されている。この増大した走査時間は心周期の同一位相に対して十分な数のデータ収集を得るために必要である。

代表的な６秒のＣアーム走査中に、心周期の同一位相で得られる画像数はわずかに３０画像である。この少数の画像を再構成に使用すると、再構成画像は低品質になる。上述の文献には、心周期の同一位相における画像数は得られる再構成３Ｄボリュームのノイズを低減するためには１００画像が望ましいことが示されている。

更に、所要の長い走査時間を用いて改善された再構成画像の場合でも、動脈ツリーの解像度は、臨床医の処置に対する狭窄部又は関心領域の寸法決定用の定量的冠動脈解析においてまだ改善の余地がある。更に、ボリューメトリック再構成から病変部の正しい寸法を抽出するために臨床的なユーザインタラクションが必要とされ、追加の時間を要する。

しかしながら、回転走査時間の延長を必要とするこれらの文献の教えのために、これらの両技術とも患者に投与する造影剤及びＸ線被爆が増大する問題を悪化させる。その結果として、腎臓に問題がある患者は冠状動脈ツリーの改善された再構成ビューのために追加要求される造影剤に耐えられない。このため、これらの患者の処置において臨床医に使用可能な銃砲の質が低下することになる。更に、すべての患者がこれらの延長された走査時間中に多量のＸ線を受けることになる。

従って、血管造影処置において、心運動に対して補償された改良ハイブリッド３次元冠状動脈ツリー再構成を生成し、該ハイブリッド３次元再構成は、(ｉ)定量的冠動脈解析に好適な冠状動脈構造の選択されたセグメント(部分)の精密モデル化３次元表示と、（ii）改善された最適作業ビューを選択するためのハイブリッドモデル化ボリューメトリック再構成を提供する物とするのが望ましい。更に、フォアショートニング及びオーバラップを低減するために動脈ツリーの選択セグメントの精密モデル化表示を提供して、患者のインターベンション処置中に臨床医が臨床的に診断及び処置を行う期間内に臨床的病変部の最適ビューを決定することができるようにするのが望ましい。

本発明は、冠状動脈インターベンション処置用の冠状動脈ツリーの臨床的に有用な最適ビューを提供する必要性を満足するとともに、狭窄部又は病変部の精密測定値を得る臨床医の能力を向上させ、なおかつ臨床的に有用な再構成モデル化セグメントを生成するのに要する時間量を低減し、患者に投与される造影剤及び放射の量を低減する方法及び装置を提供することにある。

本発明の方法は、患者がカテーテル台上に既に存在する間に臨床医が診断手順又はインターベンション手順をプランニングするのを援助する。回転Ｘ線像収集からのいくつかの選択された投影像に基づいて、冠状動脈ツリーのボリューメトリックコーンビーム再構成と関心のある選択された血管セグメントの３次元サーフェイスモデル、即ち関心のあるセグメントを有する冠状動脈ツリーの部分モデルの両方を生成する。提案の方法は、臨床医に関心のある血管セグメントの臨床的に精密な長さ及び直径とともに最適な作業ビューを与える。このビューにおいては、ガントリが、関心のある血管セグメントに対してフォアショートニング及び血管オーバラップが全心周期中低減されるように位置する。

本発明の原理に従う方法は、周期的運動により影響される脈管構造のハイブリッド３次元再構成を生成する方法である。本発明の方法は、周期的運動により影響される脈管構造を有する撮像すべき物体をＸ線システムの撮像領域内に位置させ、前記脈管構造の少なくとも２つのＸ線像を収集する。周期的運動の位相のしるしを取得し、該しるしを前記２つのＸ線像の各々と相関させる。周期的運動の同一位相から少なくとも２つのＸ線像を選択し、前記脈管構造の一部分である関心のある部分の３次元モデル化セグメントを生成する。このモデル化セグメントは周期的運動の同一位相からの前記選択されたＸ線像を用いて再構成する。前記関心のある部分は撮像する脈管構造の一部分のみである。前記モデル化セグメントより大きい脈管構造の３次元ボリューメトリック再構成を生成し、前記関心のあるモデル化セグメントと組み合わせる。組み合わせた再構成脈管モデルとボリューメトリック再構成を人間が読み取り可能な形態で表示する。

本発明の原理を利用する方法の限定された態様では、周期運動のすべての位相からのＸ線像を用いて前記ボリューメトリック再構成を生成する。更に限定された態様では、前記ボリューメトリック再構成は周期運動の同一位相からゲートされた画像を用いて生成する。

本発明の別の限定された態様では、前記ボリューメトリック再構成は周期運動のすべての位相からのＸ線像を用いて再構成された脈管構造の第１部分と、周期運動の同一位相からゲートされた画像を用いて再構成された脈管構造の第２部分を含む。この方法の更に限定された態様では、前記脈管構造の第１部分と第２部分の両方の再構成を関心のあるモデル化セグメントと組み合わせる。

本発明の原理に従う別の限定された態様では、前記取得される周期的運動の位相のしるしは心運動を表し、ＥＣＧ信号により与えられる。

本発明の別の限定された態様では、オーバラップマップを計算し、該オーバラップマップは、仮想Ｘ線源と仮想像平面との間に位置するモデル化セグメントを横切る仮想Ｘ線源からのＸ線に沿う再構成ボリュームからのすべてのグレー値を積分することにより計算する。

本発明の原理に従う更に別の態様では、前記脈管構造の少なくとも２つのＸ線像を収集するステップを、ＣアームＸ線システムを用いて回転収集により達成し、該回転収集は少なくとも３０°／秒の角速度で４秒以上６秒以下の走査期間に亘って行う。この角速度は前記走査期間中少なくとも５５度／秒以上とするのが好ましい。

本発明の原理に従う装置は、周期的運動により影響される脈管構造を有する撮像すべき物体をＸ線システムの撮像領域内に支持する手段を含む。Ｘ線システムは前記脈管構造の少なくとも２つのＸ線像を収集する。ＥＣＧ装置が物体に影響を与える周期的運動の位相のしるしを取得する。該しるしを前記２つのＸ線像の各々と相関させるプロセッサを含む。ディスプレイを用いて周期的運動の同一位相からの少なくとも２つのＸ線像を選択する。前記脈管構造の関心のある部分の３次元モデル化セグメントの再構成を生成するプロセッサを含み、該モデル化セグメントは周期的運動の同一位相からの前記選択されたＸ線像を用いて再構成される。前記関心部分は前記撮像脈管構造の一部分にすぎない。前記プロセッサは前記モデル化セグメントより大きい脈管構造の３次元ボリューメトリック再構成を生成する。更に、前記プロセッサが前記関心のあるモデル化セグメントとそれより大きな前記脈管構造のボリューメトリック再構成とを組み合わせる。ディスプレイが生成された再構成、組み合わされた再構成脈管モデル及びボリューメトリック再構成並びに他のマップ、モデルなどの画像を人間が読み取り可能な形態で表示する。

本発明の限定された態様では、前記プロセッサが、周期運動のすべての位相からのＸ線像を用いて脈管構造の第１部分のボリューメトリック再構成を生成し、周期運動の同一位相からゲートされた画像を用いて脈管構造の第２部分のボリューメトリック再構成を生成する。

本発明の原理を利用する装置の別の態様では、前記プロセッサが、脈管構造と関心のあるモデル化セグメントのオーバラップマップを計算し、該オーバラップマップは、仮想Ｘ線源と仮想像平面との間に位置するモデル化セグメントを横切る仮想Ｘ線源からのＸ線に沿う再構成ボリュームからの全グレー値を積分することにより計算する。

特許請求の範囲に記載された方法及び装置はボリューム及びサーフェイスモデル再構成技術の相補的特徴を組み合わせるものである。回転収集を用いて造影剤及びＸ線被爆を最小にする。心周期の同一の位相に対応する投影像を用いて関心のある冠状動脈セグメントの精密なサーフェイスモデルを生成するとともに主要冠状血管のオーバビューを生成する。

上記の新規な方法は、回転収集からの投影像に基づいて冠状動脈ツリーの関心のある選択されたセグメントサーフェイスモデルの生成を含む。本方法は、心臓を同一の位相でキャプチャするすべての投影像に基づいてモデルを構成する潜在能力を有する。関心のあるセグメントの部分モデルと、心周期と無関係にすべての収集投影像を用いる自動ボリューメトリック再構成との組合せは、冠状動脈ツリーの主要血管を視覚化するとともに、血管オーバラップが低減された「最適作業ビュー」を決定するのに有用であり、冠状動脈ツリー全体のサーフェイスモデルを手動的に生成する必要がなくなるため、再構成時間が減少し、リアルタイム臨床応用に一層有用である。

また、本発明の方法は心臓のほぼ同一の位相である収集投影像のみをモデルの生成に使用することもできる。その結果、表示される冠状動脈ツリー構造は一層明瞭になるが、冠状動脈運動の結果としての血管位置の表示の利点が失われる。

本発明の原理を適用する装置及び方法は、上述の特徴及び後述する他の特徴、特に特許請求の範囲に記載する特徴を具える。以下の記載及び添付図面は本発明の原理を適用する実施例を説明する。本発明の原理を適用する種々の実施例は種々の構成要素の形及び構成要素の配置の形をとることができる。これらの実施例は、本発明の原理を使用する種々の方法のうちの数例を示すのみである。図面は本発明の原理を適用する装置の好適実施例を説明するためにすぎず、本発明をこれに限定するものではない。
本発明の上述した特徴及び利点及び他の特徴及び利点は、添付図面を参照する本発明の好適実施例の詳細な説明から当業者に明らかになる。

図１につき説明すると、診断用イメージング装置２０はＸ線装置２２、ビデオモニタバンク２４及びイメージング制御コンソール２６を備える。Ｘ線装置２２はＣアームシステム３０を備える回転血管造影装置である。基部３２はＣアームシステム３０を指示する垂直支柱部材３４を備える。アーム３６がアイソセンタＩを示すＣアーム３８を支持するために垂直支柱部材３４に移動自在に取り付けられる。Ｃアーム３８は、該アームの対向端にそれぞれ装着されたＸ線源４０とＸ線受信機４２からなるＸ線撮像システムを有する。Ｘ線受信機４２は像増幅カメラシステムとすることができ、また固体検出器とすることもできる。Ｘ線源４０とＸ線受信機４２は、Ｘ線源４０から放射するＸ線の中心ビームがＸ線受信機４２のほぼ中心に入射するように相対的に配置される。

Ｃアーム３８はその外周に沿って双頭矢印４４の方向にモータ調整可能である。アーム３６は双頭矢印４６で示すように軸線Ａを中心にモータで又は手動で回転可能である（角運動）。Ｃアームは双頭矢印４６で示すように軸線Ａとほぼ平行な方向にモータで又は手動で移動可能である。更に、Ｃアーム３８は双頭矢印４８で示すように垂直支柱部材３４に沿って垂直方向に調整可能である。各移動成分は、イメージングシステム制御コンソール２６で使用される適切な座標系内の各成分の位置を提供する既知のエンコーダにより適切にモニタされる。ここに記載するすべての移動（運動）は、イメージング制御コンソール２６の指示の下で、モータによって、又は空気圧や水圧などで所望の運動を生じさせる他の手段によって実現することができる。

ＣアームＸ線システム３０は患者支持台(図示せず)上に位置する被写体５０の本体エリアの３Ｄ画像の発生用に提供されているものである。適切なＸ線装置はコーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ（ビジネス本拠地オランダ）の子会社であるフィリップス メディカル システム社製の１２インチモノプレーンを具えたPhilips Integris Allura (商品名)である。

周期的な心臓運動は冠状動脈ツリーの冠状血管を運動させるため、再構成される３Ｄ画像は冠状動脈ツリーの粗い表示のみを生ずる。定量的冠動脈解析（Quantitative Coronary Analysis）用のモデルを発生させるために使用される画像を改善するために、ＥＣＧ（心電図）装置５２を用いて回転画像収集中に収集された各画像と関連する心周期情報を供給する。更に、ＥＣＧ情報は、以下に記載するように、部分ボリューメトリック再構成の生成にも有用である。ＥＣＧはシステム制御コンソール２６と動作可能に接続され、所望の周期的な生理学的信号を得るために１以上の電極５４を有する。

イメージングシステム制御コンソール２６は診断用イメージングシステム２０の動作を調整する。図示の構成要素及びシステムのすべての制御機能及び画像処理機能は、適切なプロセッサ６０、メモリ及びストレージ、入力、出力及びデータ通信機能などの要素システムを有するコンピュータベースシステムにより実行することができる。制御コンソール用の適切なワークステーションは、silicone Graphics Inc.（カリフォルニア、マウンテンビュー）製のOctane System(商品名)である。

オペレータインターフェース９０は、制御コンソール２６と適切に通信する、キーボード６２、タッチスクリーンモニタ６４、マウス６６、ジョイスティック(図示せず)、トラックボール６８のような入力及び出力装置、並びにイメージングシステムを制御し血管構造の関心のある動脈部分（セグメント）のモデルを発生させるためのオペレータ命令を供給する他の入力装置を含む。

制御コンソール２６内の画像処理及び再構成回路は、検査中にＸ線装置２２が発生する出力信号を処理して画像表現にする。画像表現はビデオモニタに表示することができ、また後のリコールや後の処理などのためにコンピュータメモリ、テープ又はディスクに記憶することができる。

次に、図２を参照して、本発明の方法を上述の装置とともに使用する場合について説明する。ステップ１００において、診断用イメージング装置は初期化され、既知の方法に従って較正される。ステップ１０２において、Ｃアームシステムに対するシステムパラメータ、例えばシステムの動作に必要な種々の構成要素の位置及びその他の条件が収集され、システム制御コンソール２６に供給される。ステップ１０４において、システムは回転収集画像と、各収集画像に対する相関ＥＣＧデータを収集する。Ｃアームは、１２０ＲＡＯ（患者の右側）から１２０ＬＡＯ(患者の左側)までの較正されたプロペラ収集を実行するためにテーブルのヘッド位置の近くに置かれる。Ｃアームは５５°／秒で回転し、患者が息を止めている間に毎秒３０フレームで４秒間画像を収集する。収集時に全部で８−１２ｃｃの造影剤（Omunipaque 350）を注入し、ガントリが回転を開始するとき開始する。この収集はステップ１００で較正されているため、各投影象を地磁界及びピンクッション歪みに対して補正し、共通のワールド座標系に変換することができる。これらの投影像及び対応するＥＣＧ情報は選択的なリコール及びモニタ２４又は６４に表示するのためにメモリに記憶される。

次に、ステップ１０６において、回転収集時に収集された画像のサブセットが臨床医のためにモニタバンク２４又はシステムモニタ６４に表示される。ステップ１０８において、関心のある動脈のセグメント(部分)をモデル化するために、ＥＣＧ信号に基づいて、心周期の同一の選択位相に対応する投影像を選択する。通常、異なる角度からの２つの投影像を選択する。心周期の同一の部分からの収集画像から生成されるモデル化された関心のあるセグメントは、臨床医が表示画像にマークを付して該モデルから精密な測定値を得るのに必要な精度を提供し、これらの測定値は適正なステント又は他のインターベンション処置の正確な選択に使用することができる。

冠状動脈構造全体をモデル化しないことを認識されたい。来たるインターベンション処置のために実行すべき定量的冠動脈解析に改善された精度を必要とする狭窄部又は病変部のような関心のある選択セグメントのみをモデル化することにより、以下に記載する必要なマップを構成するための計算時間が減少するため、診断プロセス及びインターベンション処置を手術室内の患者に対しリアルタイムに実行することが可能になる。

所望の画像が回転収集から選択されたら、プロセスはステップ１１０に進み、ここでセグメントのモデルが生成される。セグメントのモデルを生成する適切な方法は米国特許６，５０１，８４８号、“Method and apparatus for three-dimensional reconstruction of coronary vessels from angiographic images and analysis techniques applied thereto”(血管造影画像から冠動脈血管の３次元画像を再構成する方法及び装置とこれに適用される解析技術）、キャロル他、に記載されており、参考のためにその全内容がここに含まれているものとする。

モデル化されたセグメントの中心軸を構成するために、ステップ１０８で選択された投影像は関心のあるセグメントが明瞭に見えるビューを含み、両投影像間の角度は約９０度であるものとする。ラン中、平均５〜６の心拍が捕集されるため、ユーザは一般に多くの極めて望ましいビューを得て、これらのビューから病変部の明瞭なビューを有する対応する投影像をピックアップすることができる。動脈セグメントの中心軸は、臨床医がシステムコントローラ２６にの任意のユーザインターフェース６２，６４，６６，６８を用いて表示画像上に１対以上の点を付加することにより手動的に識別することができる。投影像Ａ内の点が投影像Ｂ内にエピポーラライン(epipolar line)を生じ、これは投影像ＡからＸ線源に向かって到来するＸ線である。１つの点を１つの投影像に設定すると、ユーザは他の投影像内にエピポーララインに沿って対応する点を決定してモデルの中心軸を求めることができる。この「エピポーラ制約(epipolar constraint)」を用いることにより、対応するエピポーララインが交差し、３Ｄ軸点が決まる。病変部の軸が生成されたら、臨床医は心臓の同一位相に対応するすべての投影像内のルーメン（管腔）の輪郭を描いてルーメンのサーフェイスモデルを生成し精密化する。関心のあるセグメントのモデルの生成に要する平均時間は、２つの対応する投影像を選択すれば、SGI Octaneで１分以下である。

ステップ１１２に進み、ボリューメトリック再構成(volumetric reconstruction)を生成する。フェルトカンプ(Feldkamp)バックプロジェクションアルゴリズムの適合バージョンをボリューメトリック再構成のために収集投影像に適用する。それぞれの投影像にはＣアームの速度に応じて重みをつけ、一定の回転速度で収集された投影像がＣアームの始動時及び減速時に収集された投影像より高い重みを有するようにする。すべての使用可能な投影像を使用する場合には、再構成は心臓のいくつかの位相についての情報を同時に含み、しばしば解釈が困難になる。心周期の同一の時点に対応する投影像のみをサーフェイスモデルの構成に使用する場合には、再構成されるボリュームは動脈の同時の視覚化と検査のためにより好適なものとなる。

インターベンションを実行するために臨床医により選択される最適ビューは関心のあるセグメントのフォアショートニング(縮小)と他の冠動脈血管構造のオーバラップの量に基づく。最適ビューマップは、患者処置のインターベンションフェーズに実際に使用しうるＣアームガントリ角度のみが計算されるものである。一般に、頭蓋方向（患者の頭方向）及び尾骨方向（患者の足方向）のアンギュレーショは前部―後部（anterior-posterior）（ＡＰ）平面から３０度を超えてはならない。その理由は、さもなければイメージインテンシファイヤが患者に接触するためである。RAO及びLAO閾値をイメージングシステムの能力に応じてセットすることができ、前記のフィリップスシステムに対しては、現在、イメージインテンシファイヤと手術台又は患者との衝突を避けるためにＡＰ平面から最大６０度までに設定されている。所定の角度範囲内の種々の値がインタラクティブカラーコードマップを用いて可視化されている。このようなマップの種々の部分は種々の位置に対応し、例えばあるＲＡＯ位置に対するマップのクアドラント又はエリアは頭蓋位置に対応する（尾骨位置は底部）。臨床医はモニタ６４上に表示されたマップ内の位置をクリックすることによりリアルタイムで種々の観察角の画像を検査するとともに種々のマップ間をトグルする機会を有する。フォアショートニング及びオーバラップの量はディスプレイの右下部分に与えられる。

ステップ１１４において、フォアショートニングマップが、モデル化されたセグメントの長さを、マップの角度範囲により決まる代表的なビューポイントから見たように投影されたこのセグメントの長さと比較することにより計算される。

次に、ステップ１１６において、オーバラップを計算する新規な方法が制御コンソール２６により実行される。すべての収集投影像のボリューメトリック再構成は冠動脈の粗い表示を発生するのみであるが、血管や他の物体（例えば背骨、肋骨及びペースメーカ又はＥＣＧリード線）の位置のような有用な情報を心臓の全位相中提供する。

ここで、図３を参照して、オーバラップマップを決定する本発明による新規な方法を簡単化した実施例について説明する。オーバラップマップは、モデル化されたセグメントを横切るＸ線に沿って再構成ボリュームからのすべてのグレー値を積分することによって計算される。仮想のＸ線源１４０がボリューメトリック再構成１４４に対応する複数のＸ線１４２を有する。ルーメン１４６が狭窄部又は病変部のような関心のあるモデル化されたセグメント１４８とともに再構成１４４内に表されている。オーバラップエリア１４９は、ルーメンの別の部分又は別の構造がモデル化セグメント１４８も通過したＸ線をインターセプトする場所である。グレー値の和の平面表示１５０はルーメン１４６の対応するルーメン表現１４６ａを有し、そのモデルセグメント１４８は表示１５０内に１４８ａとして示されている。モデルセグメント１５２上のグレー値の和の表示はモデル化セグメントとルーメンのオーバラップエリアを定めるエリア１５４を含む。４本の破線１５６ａ，ｂ，ｃ，ｄはモデルに投影されたＸ線に沿うグレー値の和の視覚化を模式的に示す。これは血管構造のオーバラップの概念を表し、オーバラップはグラフ１５８に示すような強度分布(強度は軸１６０に示されている)を生成する。グラフ１５８は、単一の線上の強度（Ｘ線に沿うグレー値の和）を示す。最終値はモデル化セグメントの投影におけるグレー値の和のすべての積分又は和である。このグレー値積分技術はスペースリーピング技術及びステンシルバッファをSCI Octaneの特主目的グラフィックスハードウエアと組み合わせて使用することによりOpenGLで効率よく実現される。

次に、ステップ１１８において、フォアショートニングマップ及びオーバラップマップの正規化値の加重和をとることにより最適ビューマップを構成することがでできる。実用的且つ効率的計算のために、血管のオーバラップは一般に血管フォアショートニングが低減或いは最小になるガントリ角度に対して推定して最適作業ビューを得る。

ステップ１２０において、ボリューメトリック再構成とモデル化セグメントを含む組合せ再構成画像、最適ビューマップ及び選択された最適ビューに対するガントリを位置指定するシステムパラメータをモニタバンク２４又は制御コンソール２６のモニタに表示する。プロセスはステップ１２２で終了する。

図４を参照して、本発明の原理を用いる他の方法を説明する。ステップ２００において、診断用イメージング装置は初期化され、既知の方法に従って較正される。ステップ２０２において、Ｃアームシステムに対するシステムパラメータ、例えばシステムの動作に必要な種々の構成要素の位置及び他の条件が収集され、システム制御コンソール２６に供給される。ステップ２０４において、システムは回転収集画像と、各収集画像に対する相関ＥＣＧデータを収集する。Ｃアームは、１２０ＲＡＯ（患者の右側）から１２０ＬＡＯ(患者の左側)までの較正されたプロペラ収集を実行するためにテーブルのヘッド位置の近くに置かれる。Ｃアームは５５°／秒で回転し、患者が息を止めている間に毎秒３０フレームで４秒間画像を収集する。収集時に全部で８−１２ｃｃの造影剤（Omnipaque 350）を注入し、ガントリが回転を開始するとき開始する。この収集はステップ２００で較正されているため、各投影象を地磁界及びピンクッション歪みに対して補正し、共通のワールド座標系に変換することができる。これらの投影像及び対応するＥＣＧ情報は選択的なリコール及びモニタ２４又は６４に表示するのためにメモリに格納される。

次に、ステップ２０５において、システムは、（ｉ）図２のステップ１１２に類似するステップ２１２におけるフルボリューメトリック再構成と、（ii）関心のあるモデル化されたセグメントを含む動脈ツリーの一部分、例えば動脈ツリーにおける主ブランチを含む部分の心位相ゲートされたボリューメトリック再構成の両方又は何れか一方を発生するように適応される。ステップ２０５において、システムがステップ２１２においてフルボリューメトリックのみを発生するようセットされている場合には、プロセスは図２のプロセスに類似する。また、システムは心周期の同一部分からの画像（ＥＣＧゲーテッド画像）のみを用いて関心のあるモデル化されたセグメントを含むより明瞭な部分ボリューメトリック再構成のみを発生させることもできる。更に、システムは、全収集画像を用いて心運動の状態を表す情報を提供するフルボリューメトリック再構成を発生するとともに、モデル化されたセグメントを含む部分ボリューメトリック再構成を発生させることができる。

次に、ステップ２０８において、回転収集時に収集された画像のサブセットを臨床医のためにモニタバンク２４又はシステムモニタ６４に表示する。ＥＣＧ信号に基づいて、心周期の同一の選択位相に対応する投影像を関心のある動脈のセグメント（部分）をモデル化するために選択するとともにこれらの画像をステップ２０７で発生される部分再構成のために供給する。通常、異なる角度からの２つの投影像がモデル化のために選択されるとともに、心周期の同一の部分からの収集画像のすべて、この方法の代表的な走査では４−６のゲーテッド画像、が部分ボリューメトリック再構成に使用される。心周期の同一部分からの収集画像から生成された関心セグメントのモデルは、臨床医が表示画像にマークを付けてモデルから精密な測定値を得るのに必要な精度を提供し、これらの測定値は適正なステント又は他のインターベンション処置の精密な選択に使用することができる。

図２について検討したように、冠動脈血管構造全体はモデル化しない。関心のある選択セグメント、例えばインターベンション処置のために定量的冠動脈解析に改善された精度を必要とする狭窄部又は病変部のみをモデル化することにより、以下に記載する必要なマップを構成するための計算時間が減少するため、診断プロセス及びインターベンション処置を手術室内の患者に対しリアルタイムに実行することが可能になる。

所望の画像が回転収集から選択されたら、プロセスはステップ２１０に進み、ここでセグメントのモデルが生成される。ステップ２１０におけるプロセスは図２のステップ１１０につき述べたプロセスと同様である。

上述したように、ステップ２１２において、ボリューメトリック再構成が生成される。フェルトカンプ(Feldkamp)バックプロジェクションアルゴリズムの適合バージョンをボリューメトリック再構成のために収集投影像のすべてに適用する。それぞれの投影像にはＣアームの速度に応じて重みをつけ、一定の回転速度で収集された投影像がＣアームの始動時及び減速時に収集された投影像より高い重みを有するようにする。すべての使用可能な投影像を使用するため、この再構成は心臓のいくつかの位相についての情報を同時に含み、しばしば解釈が困難になる。また、上述したように、ステップ２０７においては、フェルトカンプバックプロジェクションアルゴリズムがサーフェイスモデルを構成するために心周期の同一の時点に対応する投影像のみに適用され、部分再構成ボリュームは関心のあるモデル化されたセグメントを有し、動脈の同時の視覚化と検査のためにより好適なものとなる。

ステップ２１６において、オーバラップが図２のステップ１１６について述べたように計算され、制御コンソール２６により実行される。すべての収集投影像のボリューメトリック再構成は冠動脈の粗い表現を発生するのみであるが、血管や他の物体（例えば背骨、肋骨及びペースメーカ又はＥＣＧリード線）の位置のような有用な情報を心臓の全位相中に提供する。部分再構成が含まれる場合には、冠動脈ツリーのブランチが一層明瞭に示される。

ステップ２１４において、フォアショートニングマップが、モデル化されたセグメントの長さを、マップの角度範囲により決まる代表的なビューポイントから見たように投影されたこのセグメントの長さと比較することにより計算される。

次に、ステップ２１８において、フォアショートニングマップとオーバラップマップの正規化値の加重和をとることにより最適ビューマップを構成することがでできる。実用的且つ効率的計算のために、血管のオーバラップは一般に血管フォアショートニングが低減或いは最小になるガントリ角度に対して推定される。

ステップ２２０において、フル及び／又は部分ボリューメトリック再構成とモデル化されたセグメントのいずれか一方又は双方を含む組合せ再構成画像、最適ビューマップ及び選択された最適ビューに対するガントリを位置指定するシステムパラメータをモニタバンク２４又は制御コンソール２６のモニタに表示する。プロセスはステップ２２２で終了する。

本発明の原理を用いるハイブリッド再構成方法は、精密にモデル化された動脈セグメントの３次元の定量的測定と全心周期に亘る最適作業ビューを臨床医に提供する。この情報は１分以内に提供され、患者がカテーテル台上にいる間にインターベンションの計画を立てるのに使用することができる。

本発明の特定の特徴を種々の実施例の一つについてのみ説明したが、このような特徴は他の実施例の他の特徴と組み合わせることができ、任意の特定の用途に好適であるとともに有利である。

本発明の以上の記載から、当業者は種々の改良、変形及び変更が考えられる。例えば、同じ位相で取り込まれた他の投影像を用いて関心のあるセグメントのサーフェイスモデルを更に良くすることができる。ほぼ同一位相の投影像を用いて冠状動脈ツリーを視覚化するとともに、すべての収集画像を用いてオーバラップマップを計算することもできる。フル又は部分ボリューメトリック再構成のいずれか一方を用いてオーバラップマップを計算してもよいし、ハイブリッド冠状動脈３Ｄ構造の視覚化のために１以上のモニタに画像を発生させてもよい。当業者の技術範囲であるこのような改良、変形及び変更は添付の特許請求の範囲によりカバーされること勿論である。

本発明の原理に従う診断用イメージング装置の概略図である。 本発明の原理に従う方法の特徴を示すフロー図である。 本発明の原理に従うオーバラップマップの生成プロセスの概略図である。 本発明の原理に従う代替機能装置の特徴を示すフロー図である。

Claims (25)

1. 周期的運動により影響される脈管構造のハイブリッド３次元再構成を生成する方法において、
   周期的運動により影響される脈管構造を有する撮像すべき物体をＸ線システムの撮像領域内に位置させるステップと、
   前記脈管構造の少なくとも２つのＸ線像を収集するステップと、
   周期的運動の位相のしるしを取得し、該しるしを前記２つのＸ線像の各々と相関させるステップと、
   周期的運動の同一位相からの少なくとも２つのＸ線像を選択するステップと、
   前記脈管構造の一部分である関心のある部分の３次元モデル化セグメントを生成するステップであって、該モデル化セグメントは周期的運動の同一位相からの前記選択されたＸ線像を用いて再構成するステップと、
   前記モデル化セグメントより大きい脈管構造の３次元ボリューメトリック再構成を生成するステップと、
   前記関心のあるモデル化セグメントとそれより大きな前記脈管構造のボリューメトリック再構成を組み合わせるステップと、
   組み合わされた再構成セグメントモデルとボリューメトリック再構成を人間が読み取り可能な形態で表示するステップとを具えることを特徴とするハイブリッド３次元再構成方法。
2. 前記ボリューメトリック再構成は周期運動のすべての位相からのＸ線像を用いることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記ボリューメトリック再構成は周期運動の同一位相からゲートされた画像を用いて発生することを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記ボリューメトリック再構成は周期運動のすべての位相からのＸ線像を用いて再構成された脈管構造の第１部分と、周期運動の同一位相からゲートされた画像を用いて再構成された脈管構造の第２部分を含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
5. 前記脈管構造の第１部分と第２部分の両方の再構成を関心のあるモデル化セグメントと組み合わせることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記周期的運動の位相のしるしは心運動を表し、ＥＣＧ信号により与えられることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. オーバラップマップを計算するステップを具え、該オーバラップマップは、仮想Ｘ線源と仮想像平面との間に位置するモデル化セグメントを横切る仮想Ｘ線源からのＸ線に沿う再構成ボリュームからのすべてのグレー値を積分することにより計算することを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 前記脈管構造の少なくとも２つのＸ線像の収集をＣアームＸ線システムを用いる回転収集により達成し、該回転収集は少なくとも３０度／秒の角速度で４秒以上６秒以下の走査期間に亘って行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 前記角速度は前記走査期間中少なくとも５５度／秒であることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 周期的運動により影響される脈管構造のハイブリッド３次元再構成を生成する方法において、
    周期的運動により影響される脈管構造を有する撮像すべき物体をＸ線システムの撮像領域内に支持する手段と、
    前記脈管構造の少なくとも２つのＸ線像を収集する手段と、
    周期的運動の位相のしるしを取得し、該しるしを前記２つのＸ線像の各々と相関させる手段と、
    周期的運動の同一位相からの少なくとも２つのＸ線像を選択する手段と、
    前記脈管構造の一部分である関心のある部分の３次元モデル化セグメントを生成する手段であって、該モデル化セグメントは周期的運動の同一位相からの前記選択されたＸ線像を用いて再構成する手段と、
    前記モデル化セグメントより大きい脈管構造の３次元ボリューメトリック再構成を生成する手段と、
    前記関心のあるモデル化セグメントとそれより大きな前記脈管構造のボリューメトリック再構成を組み合わせる手段と、
    組み合わされた再構成セグメントモデルとボリューメトリック再構成を人間が読み取り可能な形態で表示する手段とを具えることを特徴とするハイブリッド３次元再構成装置。
11. 前記ボリューメトリック再構成は周期運動のすべての位相からのＸ線像を用いることを特徴とする請求項１０記載の装置。
12. 前記ボリューメトリック再構成生成手段は周期運動の同一位相からゲートされた像を用いて前記ボリューメトリック再構成を生成することを特徴とする請求項１０記載の装置。
13. 前記ボリューメトリック再構成生成手段は周期運動のすべての位相からのＸ線像を用いて脈管構造の第１部分のボリューメトリック再構成を生成する手段と、周期運動の同一位相からゲートされた画像を用いて脈管構造の第２部分のボリューメトリック再構成を生成する手段を含むことを特徴とする請求項１１記載の装置。
14. 前記関心のあるモデル化セグメントを前記脈管構造のボリューメトリック再構成と組み合わせる手段は、手段前記脈管構造の第１部分と第２部分の両方を前記関心のあるモデル化セグメントと組み合わせる手段を具えることを特徴とする請求項１３記載の装置。
15. 前記周期的運動の位相のしるしを取得するＥＣＧモニタを具えることを特徴とする請求項１０記載の装置。
16. オーバラップマップを計算する手段を、該オーバラップマップは、仮想Ｘ線源と仮想像平面との間に位置するモデル化セグメントを横切る仮想Ｘ線源からのＸ線に沿う再構成ボリュームからのすべてのグレー値を積分することにより計算することを特徴とする請求項１０記載の装置。
17. 周期的運動により影響される脈管構造のハイブリッド３次元再構成を生成する方法において、
    周期的運動により影響される脈管構造を有する撮像すべき物体をＸ線システムの撮像領域内に位置させるステップと、
    前記脈管構造のＸ線像を回転収集するステップと、
    周期的運動の位相のしるしを取得し、該しるしを少なくとも２つのＸ線像の各々と相関させるステップと、
    周期的運動の同一位相からの少なくとも２つのＸ線像を選択するステップと、
    前記脈管構造の一部分である関心のある部分の３次元モデル化セグメントを生成するステップであって、該モデル化セグメントは周期的運動の同一位相からの前記選択されたＸ線像を用いて再構成するステップと、
    前記モデル化セグメントより大きい脈管構造の３次元ボリューメトリック再構成を生成するステップと、
    前記モデル化セグメントとそれより大きな前記脈管構造のボリューメトリック再構成を組み合わせるステップと、
    組み合わされた再構成脈管モデルとボリューメトリック再構成を人間が読み取り可能な形態で表示するステップとを具えることを特徴とするハイブリッド３次元再構成方法。
18. 前記回転収集は、少なくとも３０度／秒の角速度で４秒以上６秒以下の走査期間に亘ってＸ線像を収集することを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. 前記角速度は前記走査期間中少なくとも５５度／秒であることを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 前記ボリューメトリック再構成は周期運動のすべての位相からのＸ線像を用いることを特徴とする請求項１７記載の方法。
21. 前記ボリューメトリック再構成は周期運動の同一位相からゲートされた画像を用いて発生することを特徴とする請求項１７記載の方法。
22. 前記ボリューメトリック再構成は周期運動のすべての位相からのＸ線像を用いて再構成された脈管構造の第１部分と、周期運動の同一位相からゲートされた画像を用いて再構成された脈管構造の第２部分を含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
23. 前記脈管構造の第１部分と第２部分の両方の再構成を前記関心のあるモデル化セグメントと組み合わせることを特徴とする請求項２２記載の方法。
24. 前記周期的運動の位相のしるしは心運動を表し、ＥＣＧ信号により与えられることを特徴とする請求項１７記載の方法。
25. オーバラップマップを計算するステップを具え、該オーバラップマップは、仮想Ｘ線源と仮想像平面との間に位置するモデル化セグメントを横切る仮想Ｘ線源からのＸ線に沿う再構成ボリュームからのすべてのグレー値を積分することにより計算することを特徴とする請求項１７記載の方法。

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